具有语音播报功能的超声波液位测量系统设计

　　摘要：超声波测距相比于其它测距方法，具有非接触、高精度、价格低、使用方便等优越性。针对实际应用的需要，设计了一种以单片机为主控芯片的具有语音实时播报和无线收发功能的超声波液位计系统。首先介绍了超声波测距原理，然后设计了系统硬件、系统方案及各个电路模块，包括发射电路、接收电路、语音播报电路、无线收发电路等，其次设计了系统软件程序。最后进行了系统测试。测试结果表明在加入温度补偿后测量精度可以达到0.8%，语音播报和无线收发稳定。

　　引言

　　接触式液位测量系统的共同特点是测量感应元件和被测物体接触，因此容易出现仪器测量物的磨损、堵塞或者腐蚀。非接触式液位测量系统的共同特点是测量敏感元件和被测物体不接触，测量仪器不受被测介质的影响，但容易受到被测介质和环境因素影响。非接触式液位测量技术有：微波雷达测量技术、射线液位测量技术、光学测量法、超声波测量技术 。超声波测量技术成本低、无辐射、精度高等优点，同时超声波传感器体积小、所需硬件电路简单 。本文针对一些易爆、易挥发、强腐蚀及有毒液位的测量问题设计了超声波液位测量系统，深入讨论了用超声波作为信号源进行液位测量的优越性，讨论了产生误差的原因，并提出了相应的解决办法，给出了具体的软硬件设计内容。

　　1 超声波测距原理

　　1.1 超声波衰减特性

　　我们一般把频率为20kHz-500MHz的声波称为超声波，超声波是一种机械波，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程，它的特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播。

　　声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这种现象叫做超声波的衰减。其产生原因可分为三个方面：(1)超声波在介质中散射而产生的能量损失，称为散射衰减;(2)声束扩散产生的能量衰减;(3)介质内耗所产生的吸收衰减。图1为声压在不同距离下的衰减特性，介质吸收而使得声压和声强按指数规律衰减。距离声源X处的声压P和声强I的衰减规律为

　　式(1)和式(2)中，X为超声波与声源间的距离， α为衰减系数，P₀为声源处的声压，P为距声源X处的声压，I₀为声源处的声强，I为距声源X处的声强。

　　本设计测量范围为0—5.0m，经过分析在此距离范围内，超声波频率为40kHz时最佳。

　　1.2 超声波测距的原理

　　超声波测距有多种方法，如声波幅值检测法、相位检测法、渡越检测法等。其中，声波幅值检测方法简单且价格便宜，但易受反射波的干扰，测量精度不高;相位检测法测量精度高，但适合小范围测量环境;渡越时间检测法的测量距离较远、测量精度较好。本设计采用渡越时间检测法，如图2所示。工作方式是通过换能器发射出超声波，超声波遇到液面后被物体反射，传到接收器中，此过程时间为t。